Высокотемпературный роторный теплообменник для

Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
Высокотемпературный роторный теплообменник для
газотурбинных и героторных двигателей
доц., к.т.н. Костюков А.В., Дементьев А.А.,
МГТУ «МАМИ»
Приводятся результаты расчетного и экспериментального исследования теплового
состояния каркаса роторного теплообменника с коническими и цилиндрическими
теплопередающими элементами. Расчеты проводились в расчетном комплексе ANSYS
CFX, а эксперимент на регенеративном газотурбинном двигателе Горьковского
автозавода.
В настоящее время в мире активно развиваются работы по энергетическим
микротурбинам с электрическим КПД 28-34%. Столь высокую для малоразмерных
газотурбинных двигателей эффективность обеспечивает введенный в их схему
теплообменник.
Весьма интересны появившиеся сравнительно недавно работы по высокоэффективным
героторным двигателям. Заявлено, что эффективность этих двигателей может достигать
55% [1]. Героторные двигатели работают по регенеративному циклу Брайтона и
включают в себя теплообменники аналогичные газотурбинным.
Из опыта работ по регенеративным газотурбинным двигателям хорошо известно, что
теплообменник является одним из наиболее сложных и проблемных элементов.
В 80-90-х годах прошлого столетия на Горьковском автозаводе (ГАЗ) был разработан
оригинальный высокоэффективный роторный дисковый теплообменник [2]. По
сравнению с применяемыми в настоящее время на микротурбинах неподвижными
пластинчатыми рекуператорами теплообменник имеет в разы меньшие массу и габариты и
более чем на порядок меньшую стоимость. Утечки воздуха высокого давления,
являющиеся основной проблемой роторных теплообменников,
не превышают в
теплообменнике ГАЗ 1.5-2%. Одной из причин высокой эффективности работы
уплотнений является то, что уплотнения работают не по пористой теплопередающей
матрице, а по плоским металлическим дискам - щекам каркаса. Кроме того, каркас
теплообменника эффективно охлаждается, что обеспечивает его малые тепловые
деформации.
Охлаждение
каркаса осуществляется
посредством
выполнения
теплопередающих элементов коническими. В результате (см. рисунок) основная часть
каркаса омывается только холодным воздухом и охлажденным (прошедшим через
матрицу) газом. Выполнение теплопередающих элементов коническим приводит к
необходимости пустых объемов (коллекторов) в ячейках каркаса и, как следствие, к
сверхкомпактной матрицы теплопередающих пакетов. Сверхкомпактность
матрицы
делает ее легко засоряемой. Действительно, гидравлическое сопротивление
теплообменника ГАЗ через 100 часов работы растет примерно на 1% (абсолютный).
Периодический прожиг теплообменника выполняемый непосредственно на двигателе ГАЗ
снижает остроту проблемы. Тем не менее, ресурс теплопередающих элементов
теплообменника ГАЗ ограничивается 800-1000 часами работы именно из-за его засорения.
Кроме того коническая форма пакетов приводит также к неравномерности распределения
теплоносителей по поверхности теплопередающего элемента и снижению тепловой
эффективности теплообменника.
Исходя из сказанного выше, представляется весьма перспективным рассмотрение в
качестве теплопередающих элементов полностью заполняющих ячейки каркаса.
Например, цилиндрических теплопередающих элементов с щелевыми каналами,
образованными намоткой металлической ленты в рулон. В отличие от конического,
цилиндрический элемент будет иметь практически равномерное распределение расходов
теплоносителей по фронту теплопередающего элемента, а также
существенно
больший гидравлический диаметр каналов теплообмена цилиндрического пакета по
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
143
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
сравнению с коническим, что вместе с прямолинейным характером течения
теплоносителей в цилиндрическом элементе должно обеспечивать его существенно более
низкую засоряемость, а упрощение конструкции и формы исходного материала позволит
снизить стоимость теплообменника.
Основной проблемой перехода к цилиндрическим пакетам является проблема
разработки новой системы охлаждения каркаса теплообменника, с эффективностью по
крайней мере не уступающей системе охлаждения, имеющей место в случае установки
конических пакетов. Принципиальное решение этой задачи показано на рисунке 1 [2].
Рисунок 1
1- каркас теплообменника; 2- каналы теплопередающей цилиндрической матрицы; 3каналы системы охлаждения; 4- каналы теплопередающей матрицы системы охлаждения;
5-дефлектор системы охлаждения.
Рисунок 1. Роторный теплообменник с щелевыми цилиндрическими теплопередающими
элементами и системой охлаждения каркаса.
Для анализа эффективности системы охлаждения было выполнено математическое
моделирование теплогидравлических процессов в теплообменнике с системой охлаждения
каркаса в расчетном комплексе ANSYS CFX.
Используемые допущения:
- постоянные давления и температуры воздуха и газа на входе в теплообменник;
- постоянные расходы воздуха и газа через расчетную модель.
Расчетная модель – осесимметричная (рис. 2). В нее входят: ячейка каркаса,
цилиндрический ленточный теплопередающий элемент и элементы охлаждения ячейки
каркаса.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
144
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
Рисунок 2 - Расчетная модель теплообменника с цилиндрическими теплопередающими
элементами и предлагаемой системой охлаждения каркаса теплообменника.
Режим течения в модели – ламинарный.
Используемые при расчете уравнения: Навье-Стокса, энергии, неразрывности,
состояния.
Граничные условия:
на входе в теплообменник – расход и полная температура;
на выходе теплообменника – статическое давление.
Результаты расчетов на различных режимах работы двигателя в таблице 1.
Таблица 1 - Зависимость максимальной температуры горячей щеки каркаса от режима
работы двигателя.
Расход
Давление
Температура
Частота вращения
Средняя
воздуха
воздуха за
газа на входе в турбокомпрессора/ температура
через
компрессором. теплообменни Частота вращения
горячей
двигатель.
[Па]
ка.
теплообменника .
«щеки»
[кг/сек]
[°С]
[об/мин]/ [об/мин]
каркаса.
[°С]
2,1
391300
697
33000/25,3
482
1,7
316100
547
30000/23
419
1,53
259900
427
27000/20,7
388
1,28
217800
402
24000/18,4
351
0,85
157000
327
18000/13,8
305
Для сравнения разработанной системы охлаждения каркаса теплообменника с системой
охлаждения теплообменника газотурбинных двигателей ГАЗ, а также для апробации
используемого расчетного комплекса ANSYS CFX и используемой расчетной модели
были проведены
экспериментальные исследования теплового состояния каркаса
теплообменника ГАЗ.
Исследования проводились на газотурбинном двигателе ГАЗ-99Д.
В качестве объекта исследования использовался роторный теплообменник этого
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
145
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
двигателя, имеющий сетчатые конические теплопередающие элементы.
В процессе испытаний проводились измерения:
- расхода воздуха через двигатель;
- статических давлений воздуха и газа на входе и выходе теплообменника;
- температуры воздуха на входе в теплообменник;
-температурного поля каркаса теплообменника в 6-ти точках.
Регистрирующая аппаратура измерений температурного поля каркаса совместно с
приемо-передающей аппаратурой и источниками тока (аккумуляторами) устанавливалась
на платформе, жестко связанной с диском теплообменника, и вращается вместе с ним. К
регистрирующей аппаратуре подключаются провода термопар измеряющих температуры
каркаса теплообменника. Приемо-передающая аппаратура передавала сигналы от
регистрирующей аппаратуры по радиоканалу на компьютер.
Результаты проведенного экспериментального исследования – значения максимальных
температур горячей «щеки» каркаса теплообменника приведены на рисунке 3. Здесь же
приведены расчетные значения температуры горячей «щеки» каркаса теплообменника
ГАЗ c коническими теплопередающими элементами, рассчитанные в программном
комплексе ANSYS CFX .
Сетчатые конические теплопередающие элементы задавались как пористые тела с
пористостью равной 0.69.
Течение в каркасе, также как и в расчетах теплообменника с цилиндрическими
теплопередающими элементами и предлагаемой системой охлаждения каркаса,
принималось ламинарное.
Граничные условия – температуры, давления и расход газа и воздуха брались из
результатов эксперимента.
800
750
700
650
температура
температура газа за
ТТ эксперимент
температура горячей
щеки эксперимент
температура щеки
теоретический расчет
600
550
500
Полиномиальный (
450
400
350
300
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2
2,1
Расход воздуха [кг/с]
Рисунок 3 - Средние и максимальные температуры газа за тяговой турбиной (перед
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
146
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
теплообменником) и поверхности горячей «щеки» каркаса теплообменника ГАЗ
соответственно
Как видно из рисунка, экспериментальные значения максимальной температуры
горячей «щеки» каркаса теплообменника достаточно близко совпадает с расчетными. Это
косвенным образом подтверждает приведенные выше результаты расчетов теплового
состояния каркаса теплообменника (таблица 1) с предлагаемой системой охлаждения
каркаса теплообменника и цилиндрическими теплопередающими элементами,
выполненными с использованием тех же уравнений в программном комплексе ANSYS
CFX.
Сравнение максимальных температур горячей «щеки» каркаса теплообменника ГАЗ (рис.
3) и теплообменника с разработанной системой охлаждения (таблица 1) показывает
существенно большую эффективность последней. Так при работе двигателя на номинале
(расход воздуха равен 2.1 кг/с) максимальная температура горячей «щеки» каркаса
теплообменника с системой охлаждения ГАЗ составила 552 0С, а с разработанной
системой - 4820С.
Литература.
1. Костюков В.М. Автомобильные газотурбинные двигатели Горьковского
автозавода. Доклад на соиск. уч. ст. к.т.н. Горький, 1971.
2. Костюков А.В., Крутов М.А. и др.. Способ охлаждения какаса вращающегося
теплообменника и устройство для его осуществления. Патент № 2296930, 2007.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
147